生物柴油在船用柴油機上的適用性研究

楊智遠，魏海軍，賀獻忠，魏立隊，李精明，劉竑

(上海海事大學商船學院，上海201306)

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生物柴油在船用柴油機上的適用性研究

楊智遠，魏海軍，賀獻忠，魏立隊，李精明，劉竑

(上海海事大學商船學院，上海201306)

摘要:為驗證生物柴油在船舶柴油機上的適用性，在不改變柴油機內(nèi)部結構的條件下，利用船用柴油機對生物油與0#柴油體積比為1∶4的生物柴油(記為BD20)及0#柴油進行臺架對比試驗，測試了船用柴油機生燃用生物柴油的負荷特性、動力特性，分析了柴油機排放物中的NOx、SO2及溫室氣體等排放特性。試驗結果表明，生物柴油BD20在80％額定工況動力特性下的油耗率比0#柴油機低1.4％，CO排放濃度降低17％;負荷特性下BD20的油耗率與油耗量均升高2％，而SO2排放濃度比0#柴油低約30％?？梢姡锊裼涂勺鳛?#柴油的替代物在船舶柴油機上推廣應用。

關鍵詞:生物柴油;特性分析;臺架試驗;排放測試;適用性

2013年，據(jù)美國石油業(yè)協(xié)會估計，地球上尚未開采的原油儲藏量已不足兩萬億桶，可供人類開采不超過95年的時間。因此生物柴油作為石油燃料的替代物，已經(jīng)引起了世界各國的廣泛關注［1］。生物柴油是用未加工過的或者使用過的植物油以及動物脂肪通過不同的化學反應制備出來的一種被認為是環(huán)保的生質(zhì)燃料［2－4］。生物柴油具有自身的優(yōu)點，但動力性和經(jīng)濟性下降，NOx排放增加［5－7］，與常規(guī)柴油相比，生物柴油的滯燃期較短，預混燃燒比例較小，最大爆發(fā)壓力降低，燃燒終點推遲［8－11］。生物柴油可以在不改變柴油機結構的前提下，獲得與柴油接近的動力性能和比柴油優(yōu)越的排放性能(NOx排放除外)，同時具有減少CO2排放的優(yōu)點，并且可以與柴油以任意比例混合［12－13］。

本文研究目的是通過生物柴油與普通柴油在柴油機上的應用特性進行對比研究，以確定生物油與0#柴油體積比為1∶4的生物柴油(BD20)能否在船用柴油機上推廣使用。

1　試驗方案及測試設備

為充分了解生物柴油對船用柴油機性能和排放物的影響，指定柴油機6135型船舶柴油機試驗臺架上對給定配比的生物柴油樣品和國Ⅳ－0#柴油進行了相關柴油機運行特性對比試驗。

1.1試驗方案

1)負荷特性對比試驗;

2)動力特性對比試驗;

3)研究柴油機在上述運行工況下，對燃油排放物中的NOx和SO2，溫室氣體等進行濃度測試(ppm)，并進行對比分析。

試驗使用0#柴油及生物柴油，其中生物柴油的體積百分數(shù)為20％，記為BD20，其理化性能參數(shù)如表1所示。

表1　試驗用燃料的理化性能指標Table 1 The performance index of fuel

1.2測試裝置及儀器儀表

試驗采用的主體設備為6135型船用柴油機，如圖1所示，其特性參數(shù)如表2所示。對于柴油機尾氣的排放成分分析，試驗采用德國的便攜式煙氣分析儀TESTO 350，其測量參數(shù)如表3所示。

圖1　試驗用6135型船舶柴油機Fig.1 6135 marine engine

表2　6135型船舶柴油機參數(shù)Table 2 The parameters of 6135 marine engine

表3　TESTO 350參數(shù)Table 3 The parameters of TESTO 350

2　測試結果及分析

2.1動力特性試驗對比

本實驗測取不同工況點下柴油機的各主要性能參數(shù)，繪制柴油機的動力特性曲線。

2.1.1耗油量變化對比

動力特性耗油量曲線如圖2所示。柴油機燃用BD20的動力特性耗油量與0#柴油相比，基本上持平，且呈略高現(xiàn)象。在低速區(qū)域，BD20的耗油量基本和0#柴油一致，隨著速度的增加，該耗油量呈上升趨勢。

圖2　動力特性工況耗油量數(shù)據(jù)Fig.2 Fuel consumption data on dynamic characteristics

2.1.2耗油率變化對比

耗油率曲線如圖3所示。動力特性耗油率均隨著轉速的增加，呈下降趨勢，在額定轉速85％工況時，BD20出現(xiàn)明顯的拐點，兩者均呈現(xiàn)出明顯的下降減緩趨勢。就兩者耗油率整體比較而言，0#柴油低于BD20。

圖3　動力特性工況耗油率數(shù)據(jù)Fig.3 Fuel consumption rate on dynamic characteristics

2.1.3輸出功率及扭矩的變化對比

0#柴油和BD20生物柴油應用于船舶柴油機，其動力特性功率和扭矩的對比曲線如圖4所示。從圖中可以看到，它們的變化基本是一致的，都是隨著轉速的上升而呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

圖4　動力特性工況功率-扭矩數(shù)據(jù)Fig.4 The power and torque on dynamic characteristics

2.2負荷特性試驗對比

在柴油機轉速不變的情況下，將柴油機負荷從20％增加至額定負荷的100％，測取柴油機的運行特性參數(shù)。繪制柴油機負荷特性曲線，它是評定柴油機性能好壞的重要依據(jù)，是柴油機動力性和經(jīng)濟性基本特征。

2.2.1耗油量變化對比

圖5　負荷特性工況耗油量數(shù)據(jù)Fig.5 Fuel consumption on load characteristic

2.2.2耗油率變化對比

負荷特性耗油率曲線如圖6所示。兩者動力特性耗油率均隨著負荷的增加呈明顯的下降趨勢，且在額定負荷的70％時下降趨勢趨于平坦。就兩者耗油率整體比較而言，0#柴油明顯低于BD20。在額定負荷20％的工況時，生物柴油高出0#柴油約2％。在額定負荷70％的工況時，生物柴油高出0#柴油約2.7％。在額定負荷時，生物柴油高出0#柴油約3.1％。

圖6　負荷特性工況耗油率數(shù)據(jù)Fig.6 Fuel consumption rate on load characteristic

2.2.3負荷特性工況下柴油機的輸出功率及扭矩的

負荷特性功率和扭矩的對比曲線如圖7所示。從圖中可以看到，它們的變化基本是一致的，都是隨著轉速的上升而呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，且其數(shù)值上基本保持一致。

圖7　負荷特性工況功率-扭矩數(shù)據(jù)Fig.7 The Power and torque on load characteristic

2.3排放煙氣成分對比

根據(jù)船舶柴油機常用尾氣排放檢測指標進行0#柴油和生物柴油BD20的尾氣排放情況對比分析。

2.3.1動力特性試驗中煙氣成分對比

兩者動力特性的CO排放濃度如圖8所示。隨著柴油機轉速的提升，CO濃度呈明顯降低趨勢。在小于額定轉速的80％之前，生物柴油BD20的CO排放濃度比0#柴油降低約17％，當高于90％額定轉速時，BD20 的CO排放濃度明顯高于0#柴油。在額定轉速工況時，BD20的CO排放濃度比0#柴油高出14％。

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圖8　動力特性工況CO排放濃度數(shù)據(jù)Fig.8 CO concentration on dynamic characteristic

船舶柴油機使用0#柴油和生物柴油BD20動力特性的CO2排放含量如圖9所示?？梢钥吹?，隨著柴油機轉速的提升，燃用0#柴油和生物柴油BD20的柴油機尾氣排放中CO2含量呈明顯上升趨勢，且在整個實驗過程中，兩者CO2的排放含量體積份數(shù)幾乎一致。

圖9　動力特性工況CO2排放濃度數(shù)據(jù)Fig.9 CO2concentration on dynamic characteristic

船舶柴油機燃用0#柴油和生物柴油BD20動力特性的NOx排放濃度如圖10所示?？梢钥吹剑S著柴油機轉速的提升，燃用0#柴油和生物柴油BD20的柴油機尾氣排放中NOx濃度呈明顯上升趨勢，且在整個實驗過程中，兩者NOx的排放濃度幾乎一致。

圖10　動力特性工況NOx排放濃度數(shù)據(jù)Fig.10 NOxconcentration on dynamic characteristic

在本組實驗中，僅檢測到生物柴油在改變工況下的SO2濃度排放，其排放濃度如表4所示。在使用0#柴油試驗過程由于傳感器故障，未進行SO2氣體的測量。

表4　動力特性工況生物柴油SO2排放濃度Table 4 SO2concentration on dynamic characteristic

2.3.2負荷特性試驗中煙氣成分對比

負荷特性下CO排放濃度如圖11所示。隨著柴油機負荷的增加，在小于額定功率的60％之前，兩者的CO排放濃度基本一致;在60％～80％區(qū)間內(nèi)，生物柴油BD20的CO排放濃度劇增，在額定功率90％的工況時，生物柴油BD20的CO排放濃度依然高出0#柴油的CO排放濃度5.4％，在額定功率100％的工況時，生物柴油BD20的CO排放濃度依然高出14％。

圖11　負荷特性工況CO排放濃度數(shù)據(jù)Fig.11 CO concentration on load characteristic

負荷特性的CO2排放含量如圖12所示?？梢钥吹?，隨著柴油機轉速的提升，燃用0#柴油和生物柴油BD20的柴油機尾氣排放中CO2含量呈明顯上升趨勢，且交互增長，在整個實驗過程中，兩者CO2的排放含量體積份數(shù)幾乎一致。

圖12　負荷特性工況CO2排放數(shù)據(jù)Fig.12 CO2 concentration on load characteristic

船舶柴油機燃用0#柴油和生物柴油BD20負荷特性的NOx排放濃度如圖13所示?？梢钥吹?，隨著柴油機轉速的提升，燃用國VI－0#柴油和生物柴油BD20的柴油機尾氣排放中NOx濃度呈明顯上升趨勢，且在整個實驗過程中，兩者NOx的排放濃度幾乎一致，僅在額定功率的90％及100％兩種工況時，0#柴油NOx的排放濃度略高于生物柴油BD20。

圖13　負荷特性工況NOx排放濃度數(shù)據(jù)Fig.13 NOxconcentration on load characteristic

圖14　負荷特性工況SO2排放濃度數(shù)據(jù)Fig.14 SO2concentration on load characteristic

負荷特性的SO2排放濃度如圖14所示。負荷增大到額定負荷的50％之前，燃用0#柴油尾氣排放中SO2濃度呈明顯上升趨勢，而BD20的SO2濃度略有降低趨勢。額定功率70％以后對應工況，生物柴油BD20的尾氣排放中SO2濃度已經(jīng)超過0#柴油。在額定功率100％的工況時，未檢測到0#柴油的SO2排放濃度。

而事實上，從排放的濃度大小來看，兩者所排放的SO2濃度甚微，不足以造成嚴重的環(huán)境污染。

3　結論

本試驗就0#柴油和生物柴油BD20的柴油機特性及煙氣排放等指標進行了測試和對比分析，結論如下:

1)兩者動力特性和負荷特性對比試驗分析，兩者動力性能相當，但生物柴油BD20耗油量明顯高于0#柴油約2％。

2)兩種燃油動力特性和負荷特性對比試驗中，兩者耗油率在常用工況下幾乎一致，其余工況，生物柴油略高;尾氣成分對比分析過程中，CO、CO2、NOx及SO2濃度或含量增減趨勢幾乎相仿，NOx及CO2含量均為主要污染物。

3)兩者動力性能和煙氣排放而言，生物柴油BD20可作為0#柴油的替代物在船舶柴油機上推廣應用。但就起對設備的影響而言，還需長期觀察，并做相應的積碳及氣缸腐蝕測試等。

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Application of biodiesel in a marine diesel engine

YANG Zhiyuan，WEI Haijun，HE Xianzhong，WEI Lidui，LI Jingming，LIU Hong
(Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China)

Abstract:To validate the use of biodiesel as a fuel in a marine diesel engine without changing the internal structure of the engine，the engine load characteristics，dynamic properties，and exhaust emissions were tested and analyzed using bio－diesel BD20 with 1∶4 ratio between bio－oil and 0# diesel.Concentrations of NOx，SO2，and greenhouse gases were measured in bench running tests using emissions testing equipment.The results demonstrated that fuel consumption when using biodiesel was about 1.4％ lower than that of 0# diesel under the rated conditions at 80％，the CO emissions were reduced by 17％;the biodiesel fuel consumption and consumption rate were increased by 2％ under the load characteristics，and the SO2emission concentration was about 30％ less than that of 0#diesel oil.Other emissions were almost identical.We conclude that biodiesel can be used as a substitute for 0# diesel oil in marine diesel engines，which can reduce the consumption of fossil fuels.

Keywords:biodiesel;characteristic analysis;bench running test;emission test;applicability;marine diesel engine

通信作者:魏海軍，E－mail:hjwei@ shmtu.edu.cn.

作者簡介:楊智遠(1980－)，男，講師，博士;魏海軍(1972－)，男，教授，博士生導師.

基金項目:國家863發(fā)展計劃基金資助項目(2013AA040203).

收稿日期:2014－11－05.網(wǎng)絡出版時間:2015－12－21.

中圖分類號:U677.2;TK427

文獻標志碼:A

文章編號:1006－7043(2016)01－0071－05

doi:10.11990/jheu.201411021

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1509.004.html